● 摘要
为了最大限度地提高机器人的工作范围和工作效率，往往要求机构能在三维空间内实现多自由度的旋转运动。传统的解决方案是将多个单自由度驱动电机和相关连接件以串联、并联等方式连接在一起。然而这种机构存在一些难以克服的内在缺陷，如系统总体尺寸庞大、运动笨拙、存在回程误差、在工作空间内存在奇异点等。为解决上述问题，很多学者提出了球形电机的概念。球形电机是一种类似于人类肩关节和腕关节的，能在单个关节上产生多个自由度运动的设备，具有巨大的潜在应用市场和重要的研究意义。本文首先介绍了一种基于电磁驱动的三自由度球形电机的设计思想，分析了其工作原理和工作空间。重点介绍了一种基于被动球关节的能够实现球形电机三维姿态检测的机构。分别详细论述了球形电机的自旋运动和倾斜运动的工作原理和控制的基本思想。其次介绍了球形电机的数学模型，包括基于欧拉角的转子姿态描述和基于有限元分析的球形电机力矩模型。对球形电机的机构进行整体分析，建立了球形电机动平台（包括转子和三维姿态检测装置）的拉格朗日动力学模型，并基于此模型分析了影响球形电机动力学特性的主要参数。提出了一种基于输出误差(Output Error)和最小二乘(Least Square)方法的球形电机动力学参数辨识的方法。与常规的参数辨识方法相比，该方法需要测量的实验参数较少，能快速获得动力学参数。仿真和实验验证了该方法的有效性。以永磁球形电机动力学模型为基础，深入分析其的动力学特性，对其展开动力学控制研究。针对该系统的非线性、强耦合的特点，提出了一种基于计算力矩法的动力学解耦控制方法，仿真结果证明该方法能够实现球形电机的动力学解耦控制。在考虑球形电机定子线圈输入电流饱和的情况下，提出了一种球形电机力矩受限控制方法，该方法主要借助于双曲正切函数的连续可导递增性将误差及误差的导数加以限制，有效地解决了电流以及力矩饱和的问题。针对球形电机的驱动特点，设计并开发了一套基于ARM和CPLD的球形电机闭环控制系统。该系统不仅能够实时同步地高精度输出多路控制电流，还能对球形电机的三维姿态进行实时检测和监控。实验结果表明，该系统能够克服线圈发热、反电动势等影响电流精度的因素，具有长期工作的稳定性，能够满足球电机闭环控制的要求。